Врублевский - Силовые резисторы (1991)
Врублевский Л.Е. и др.
Силовые резисторы .1991.
Изложены основные принципы расчета и конструирования силовых резисторов, широко используемых в современной электротехнике, промышленной электронике и энергетике. Приведены конструкции различных видов силовых резисторов и их основные электрические характеристики. Рассмотрены электрические устройства, в которых используются силовые резисторы. Для инженеров и научных работников.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие Единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС СССР) основывается на все большем укрупнении электростанций и их агрегатов, создании системообразующих линий электропередачи все более высоких напряжений и дальнейшем расширении и усложнении распределительных сетей. ЕЭЭС СССР представляет собой сложную электромеханическую систему, возмущения в которой, вызываемые аварийными и даже нормальными коммутациями отдельных элементов, становятся все более интенсивными. "Это обусловлено все большим изменением энергетических состояний системы до и после коммутации ее элементов, что приводит к ухудшению динамической устойчивости энергосистем, росту токов короткого замыкания, коммутационных токов и перенапряжений.
Одним из весьма эффективных средств повышения надежности и устойчивости работы энергосистем является применение в коммутационной и защитной аппаратуре силовых резисторов, которые позволяют демпфировать переходные процессы при аварийных и нормальных коммутациях в энергосистемах, что приводит к снижению токов коротких замыканий, коммутационных токов и перенапряжений, скорости восстанавливающихся напряжений, повышению динамической устойчивости систем и т.п. Силовые резисторы нашли также широкое применение в схемах электроприводов мощных двигателей переменного и постоянного тока. Однако используемые для этих целей проволочные резисторы недостаточно надежны и долговечны и в большинстве случаев в силу своих конструктивных особенностей имеют высокую индуктивность. Поэтому в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом интенсивно ведутся работы по созданию новых материалов (углекерамики, электропроводных бетона и пластмасс) и объемных мощных резисторов на их основе, свободных от вышеперечисленных недостатков.
Имеющаяся в настоящее время техническая литература в основном освещает технологию, расчет и конструирование резисторов для радиоэлектроники. Для этих резисторов характерны малая мощность рассеяния и незначительные габаритные размеры. Вопросы расчета и проектирования силовых резисторов, характеризующихся, как правило, большой мощностью рассеяния и значительными габаритными размерами, практически не нашли отражения в литературе, однако в силу специфичности этих вопросов систематизация методов расчета и конструирования представляется важной и актуальной. Отсутствие достаточной информации о силовых резисторах затрудняет разработку новых видов силовых резисторов и сдерживает их применение.
Предлагаемая вниманию читателей книга является результатом многолетних разработок авторов силовых резисторов на основе композиций монокристаллических и полупроводниковых материалов. С участием авторов проведены работы по созданию промышленной серии силовых композиционных резисторов на основе цементного связующего, исследованы основные свойства проводящего бетона, разработаны научные основы технологии и проектирования силовых резисторов композиционного типа, названных бетэловыми, выявлены физические закономерности, обеспечивающие получение композиционных материалов с низким температурным коэффициентом сопротивления, высокими допустимыми напряженностями электрического поля и удельной энергией рассеяния.
В книге подробно рассматриваются вопросы проектирования конструкций мощных резисторов по заданным параметрам, приводятся технические данные силовых резисторов и рекомендуемые области их использования.
Авторы надеются, что их книга будет способствовать расширенному применению силовых резисторов в электротехнике и энергетике. Работа между авторами была распределена следующим образом: предисловие, гл. 1, 4, 5 — написаны доктором техн. наук Ю.В. Зайцевым, гл. 2 — канд. техн. наук А.И. Тихоновым и гл. 3 — канд. техн. наук Л.Е. Врублевским. Авторы выражают благодарность рецензенту чл.-корр. АН СССР Ю.Н. Вершинину, а также своим сотрудникам и аспирантам А.А. Березкину, А.А. Сутченкову, В.А. Чагину за помощь и поддержку при проведении научных исследований по данной теме.
Глава первая
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СИЛОВЫХ РЕЗИСТОРОВ
Силовые резисторы в настоящее время находят все более широкое применение в электротехнике и электроэнергетике. Они выполняют ответственную функцию — перераспределение электрической энергии между элементами схем, т.е. функцию защиты, управления и регулирования.
Отечественная промышленность выпускает значительное число видов силовых резисторов с сопротивлением от нескольких ом до десятков тераом с допускаемыми отклонениями действительных сопротивлений от номинальных ±5, ± 10 и ±20%. Силовые резисторы с допускаемыми отклонениями менее 5% используются в электротехнической аппаратуре.
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО МАТЕРИАЛУ РЕЗИСТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
На начальном этапе создания электротехнического оборудования в основном использовались проволочные резисторы, для которых характерны следующие достоинства: возможность изготовления резисторов с точным значением номинального сопротивления; высокая стабильность сопротивления при воздействии различных внешних факторов (температуры, влажности и др.); малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС); большая допустимая мощность рассеяния; устойчивость к электрическим перегрузкам; высокая радиационная стойкость; высокая износостойкость (для переменных резисторов) и др.
Благодаря указанным достоинствам проволочные резисторы успешно используются в устройствах, к которым предъявляются повышенные требования точности и стабильности электрических и эксплуатационных параметров.
В связи с этим вопросам разработки и изготовления проволочных резисторов уделяется большое внимание. Так, только в США их разработкой и изготовлением занимаются несколько специализированных фирм. К ведущим странам по производству проволочных резисторов относятся также Англия, Франция, Япония и ФРГ, которые выпускают их от миниатюрных, мощностью 4—15 Вт, до мощных в несколько киловатт.
По назначению проволочные резисторы подразделяются на постоянные, переменные и полупеременные. Постоянные проволочные резисторы в свою очередь подразделяются на резисторы общего назначения, служащие для распределения мощности в обычных электрических схемах, высокоточные резисторы, применяемые в качестве делителей напряжения и калибровочных сопротивлений в измерительной технике, и высоковольтные резисторы на напряжение свыше 1000 В.
Переменные проволочные резисторы разделяются на подстроечные резисторы, предназначенные для регулировки параметров электрических схем при их изготовлении, регламентных работах и ремонте; регулировочные резисторы, предназначенные для регулировки параметров аппаратуры в процессе ее работы. Полупеременные проволочные резисторы предназначены для регулировки сопротивлений в электрических схемах. Дальнейшее развитие и совершенствование электротехнического оборудования определили задачи создания силовых резисторов из более дешевых материалов, с малой индуктивностью, с более широким диапазоном номинальных сопротивлений. Силовые резисторы с указанным комплексом свойств были разработаны на основе композиционных материалов. Таким образом, другим видом материалов, нашедших широкое применение для силовых резистивных элементов (РЭ) *, являются композиционные материалы. К композициям обычно относят системы, состоящие из нескольких компонентов — как правило, проводящего, связующего и наполнителя. При использовании в качестве проводящего компонента полупроводниковых соединений такие композиции называют полупроводниковыми.
В последнее десятилетие многочисленные исследования свойств композиционных материалов на основе технического углерода и графита с различными связующими компонентами легли в основу создания композиционных резисторов широкого назначения. Простая технология производства, получение РЭ любой формы, возможность управления (в определенных пределах) путем изменения состава композиции электрическими свойствами являются основными преимуществами композиционных резисторов. Развитие производства и синтез новых композиционных материалов способствовали интенсивному увеличению выпуска композиционных резисторов, используемых в современном электротехническом оборудовании.
Использование электропроводных и электроизоляционных свойств композиций на основе электротехнических бетонов, создание на их базе шунтирующих резисторов, используемых в высоковольтной технике, открывают большие перспективы их использования в электротехнике и других отраслях народного хозяйства. Современная технология композиционных материалов обеспечивает производство резисторов с широким диапазоном номинальных сопротивлений.
Отметим ряд положительных особенностей композиционных материалов, обусловивших их широкое применение в производстве резисторов. Композиционные материалы обеспечивают получение РЭ любой формы: объемною тина или в виде пленки, нанесенной на изоляционное основание. Технология получения композиций проста, не требует (в большинстве случаев) сложного оборудования, высокотемпературных и вакуумных процессов. Материалы, широко используемые в композициях, имеют невысокую стоимость. Композиционные резисторы с объемным РЭ отличаются высокой надежностью; отказ резистора с объемным элементом возможен только при его механическом разрушении. И наконец, в технологии силовых резисторов используются поликристаллические и монокристаллические полупроводниковые материалы. Наиболее широко применяются поликристаллические материалы, представляющие собой или смеси полупроводниковых оксидов, или какое-либо полупроводниковое соединение. Примером, характеризующим данную группу материалов, могут служить силовые терморезисторы, выполняемые на смесях оксидов меди, марганца и кобальта, а также варисторы, выполняемые на основе поликристаллического карбида кремния.
Монокристаллические материалы используются для силовых резисторов ограниченно. На их основе выполняются силовые терморезисторы, а также некоторые виды варисторов.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИЛОВЫХ РЕЗИСТОРОВ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ ПРИЗНАКАМ
По конструктивному исполнению силовые резисторы можно разделить следующим образом: резисторы с объемным РЭ; резисторы с РЭ, представляющим собой пленку, осажденную на изоляционное основание; резисторы с проволочным РЭ. Наиболее распространенными являются конструкции с объемным РЭ; такие резисторы можно разделить на два вида — это резисторы галетного типа, у которых РЭ выполняется из заданного числа дискретных элементов (галет). и резисторы, у которых РЭ выполняется монолитным, сплошным. Галетная конструкция РЭ имеет ряд особенностей по сравнению с другими видами конструкций. Технология формирования галет сравнительно проста. При сборке РЭ галеты с меньшим сопротивлением располагают в средней части резисторного столба, чтобы обеспечить равномерное распределение температуры по РЭ и тем самым создать более благоприятный температурный режим работы резистора.
Изменяя число галет, входящих в РЭ, можно варьировать мощность резистора и его сопротивление. С пленочным РЭ выполняются обычно резисторы с большим сопротивлением, имеющие небольшие рабочие токи. Такие резисторы изготовляются, как правило, на основе композиций. Постоянные проволочные резисторы конструктивно представляют собой устройства из неизолированной или изолированной проволоки, намотанной в один или несколько рядов на каркас из изоляционного материала. Концы резистивной проволоки припаяны или приварены к металлическим выводам, служащим для соединения резистора с внешней электрической схемой.
Переменные проволочные резисторы конструктивно несколько сложней, чем постоянные. Они состоят из неизолированной или изолированной проволоки, намотанной в один слой на каркас из изоляционного материала. По предварительно зачищенной (для изолированной проволоки) контактной дорожке перемещается скользящий контакт таким образом, что он касается следующего витка, прежде чем сходит с предыдущего, и при этом не происходит нарушения контактирования. Переменный проволочный резистор имеет три вывода: два от концов обмотки и третий от скользящего контакта.
Глава вторая
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ РЕЗИСТОРОВ
Конструирование силовых резисторов, как и других технических систем, представляет собой многоступенчатый итерационный процесс. На каждом итерационном цикле разработчиками производятся проектирование, изготовление опытных образцов, параметры которых сравниваются с параметрами, заданными в техническом задании (ТЗ) на изделие. В тех случаях, когда опытный образец не удовлетворяет условиям ТЗ, производится анализ причин отклонения параметров от заданных значений и доработка опытного образца. Указанный процесс циклически повторяется до тех пор, пока изделие не станет удовлетворять требованиям ТЗ.
По мере достижения экстремальных значений эксплуатационных параметров силовых резисторов относительно небольшое их приращение в новых разработках достигается все с большим трудом, что в свою очередь повышает материальные затраты и увеличивает время разработки новых изделий. В связи с создавшейся ситуацией представляется актуальным использование методов и систем автоматизированного проектирования. Заметим сразу, что создание новой технической системы - акт творчества. Из этого следует, что добиться полной автоматизации труда разработчика невозможно да и вряд ли нужно [1, 2]. Основными задачами проектирования являются повышение качества нового изделия, и уменьшение времени, затрачиваемого на его разработку. Не секрет, что материальные и временные ограничения заставляют разработчика выбирать не оптимальное, а допустимое техническое решение, лежащее, возможно, вблизи границы области пространства конструктивных параметров, удовлетворяющей требованиям ТЗ.
Это показывает, что основным направлением автоматизации проектирования является не автоматизация таких вспомогательных работ, как выполнение чертежей и технической документации, и даже не проведение отдельных инженерных расчетов изделия на ЭВМ, а обеспечение разработчику возможности просмотреть и проанализировать максимальное число технических решений, удовлетворяющих требованиям ТЗ, и отобрать из них оптимальное.
Неформальный характер процесса разработки новых изделий обусловливает ряд особенностей задач проектирования, а именно: нечеткое (словесное) описание некоторых конструктивных параметров, ограничений и критериев; неопределенность критерия качества разработки (наличие нескольких противоречивых критериев, неявное их описание) ; сложность и трудоемкость вычисления значений критериев.
Это приводит к необходимости использования аппарата, позволяющего обрабатывать нечеткую словесно заданную информацию; декомпозиции задачи проектирования на ряд более простых подзадач с последующим согласованием их решений; построения иерархии математических моделей расчета параметров изделия. Указанные причины делают невозможным сведение задачи оптимального проектирования изделия в целом к задаче математического программирования даже для таких сравнительно простых изделий, которыми являются силовые резисторы.
Решение задач проектирования мыслимо только в тесном диалоговом взаимодействии системы автоматизированного проектирования (САПР) с разработчиком. Разработчик задает системе правила формирования альтернативных вариантов конструкции, ограничения и критерии качества, система же рассчитывает параметры конструктивных вариантов, проверяет на соответствие требованиям ТЗ, упорядочивает их по степени удовлетворения глобальному критерию качества. В тех случаях, когда неопределенность задания критериев не позволяет выбрать оптимальное техническое решение, система обращается к разработчику с тем, чтобы он устранил неопределенность. Ограниченные способности человека к переработке информации приводят к необходимости сокращения числа допустимых вариантов, предъявляемых разработчику одновременно. На каждом этапе своей работы САПР должна последовательно отсекать заведомо недопустимые конструктивные варианты. При этом может оказаться, что система ограничений и критериев задана так, что множество допустимых конструкций изделия окажется пустым. Это обусловливает необходимость гибкого изменения алгоритма последовательного отбора вариантов конструкций. В данной главе изложены методы расчета параметров силовых резисторов, а также подходы, позволяющие оценить характеристики проектируемого изделия на начальных стадиях проектирования, отбросить заведомо непригодные варианты, выделить перспективные технические решения, а следовательно, ускорить процесс конструирования и повысить качество разрабатываемых изделий.
2.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ РЕЗИСТОРОВ
Основной задачей, возникающей при проектировании силовых резисторов, является обеспечение их работоспособности, т.е. выполнения заданных функций в течение определенного промежутка времени. Силовые резисторы в электроэнергетических установках находятся под нагрузкой, в течение короткого промежутка времени действия коммутационной защитной аппаратуры. В свою очередь по условиям работы в электротехнических установках и схемах силовые резисторы могут быть разделены на два типа, существенно различающихся по техническим требованиям к ним. Первый из указанных типов — резистор для шунтирования дугогасительных камер предназначен для работы при повышенных градиентах напряжения (около 10s В/м) в течение коротких промежутков времени, второй — для использования в различных электроэнергетических схемах при воздействии слабых электрических нолей в течение длительных промежутков времени. В зависимости от режима, в котором предполагается работа силового резистора, необходимо учитывать следующие физические явления:
1) для очень коротких импульсов способность резистора воспринимать энергию определяется его собственными индуктивностью и емкостью (проникновением электромагнитной энергии в РЭ);
2) для более длительных импульсов нагрузочная способность резистора определяется его собственной теплоемкостью (адиабатический процесс нагрева РЭ). теплообменом резистора с окружающей средой можно пренебречь;
3) в установившихся и повторно-кратковременных режимах работы силовых резисторов его нагрузочная способность определяется возможностью рассеяния подводимой к нему мощности в окружающую среду;
4) в продолжительных режимах работы (более 107 с) основным фактором, определяющим работоспособность силового резистора, является деградация параметров РЭ.
Отказы силовых резисторов возникают вследствие превышения предельно допустимой напряженности поля, которое приводит к электрическому пробою; превышения в какой-то момент времени допустимой температуры в изделии, ведущего к необратимому изменению параметров РЭ и в свою очередь к тепловому пробою; выхода сопротивления силового резистора из заданных пределов из-за изменения параметров резистивного материала.
...